Software para la selección de descargadores de oxido de metal en sistemas de potencia

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SOFTWARE PARA LA SELECCIÓN DE DESCARGADORES DE OXIDO DE METAL 
EN SISTEMAS DE POTENCIA 
 
 
 
 
 
 
 
 
Autores: 
 Aldana C., Adolfo A. 
Rodríguez M., Asdrúbal J. 
 
 
Bárbula, Enero de 2007 
UNIVERSIDAD DE CARABOBO 
FACULTAD DE INGENIERÍA 
ESCUELA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA 
DEPARTAMENTO DE POTENCIA 
 
 
 
 
 
 
 
UNIVERSIDAD DE CARABOBO 
FACULTAD DE INGENIERÍA 
ESCUELA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA 
DEPARTAMENTO DE POTENCIA 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
SOFTWARE PARA LA SELECCIÓN DE DESCARGADORES DE OXIDO DE METAL 
EN SISTEMAS DE POTENCIA 
 
 
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO PRESENTADO ANTE LA ILUSTRE 
UNIVERSIDAD DE CARABOBO PARA OPTAR AL TÍTULO DE 
INGENIERO ELECTRICÍSTA 
 
 
 
 
 
 
Autores: 
 Aldana C., Adolfo A. 
 Rodríguez M., Asdrúbal J. 
 
 
 
Bárbula, Enero de 2007 
 
 
 
 
 
 
UNIVERSIDAD DE CARABOBO 
FACULTAD DE INGENIERÍA 
ESCUELA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA 
DEPARTAMENTO DE POTENCIA 
 
 
 
 
 
 
 
 
CERTIFIDADO DE APROBACIÓN 
 
 
 
 Los abajo firmantes miembros del jurado asignado para evaluar el trabajo especial de 
grado titulado “Software para la Selección de Descargadores de Oxido de Metal en Sistemas de 
Potencia”, realizado por los Bachilleres: Aldana Adolfo, Cédula de identidad: 15.746.522 y 
Rodríguez Asdrúbal, Cédula de identidad: 16.400.145, hacemos constar que hemos revisado y 
aprobado dicho trabajo. 
 
 
 
 
 
Prof. Horacio Coltraro 
TUTOR 
 
 
 
 
 
Prof. Eva Monagas Prof. Irahis Rodríguez 
 JURADO JURADO 
 
 
 
 
Bárbula, Enero de 2007 
 
 
 
 
 
 
Bárbula, Diciembre de 2006 
 
 
 
 
 
Prof. Verner Hornebo, Jefe 
Departamento de Potencia 
Presente.- 
 
 
 
Por medio de la presente le participo que los bachilleres Aldana Adolfo, Cédula de 
identidad: 15.746.522 y Rodríguez Asdrúbal, Cédula de identidad: 16.400.145, han culminado su 
trabajo de grado: Software para la Selección de Descargadores de Oxido de Metal en Sistemas 
de Potencia, y le solicito la asignación del jurado, lugar, fecha y hora para la presentación y 
defensa del mismo. 
 
 
 
 
 
 
Atentamente 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Firma 
 Horacio Coltraro 
 
 
 
 
 
 
 
Introducción. 
 
 Los sistemas de potencia se encuentran expuestos a fallas de origen interno o 
externo que ponen en riesgo la continuidad del servicio y el material aislante de todos 
los equipos que lo conforman. El material aislante de estos equipos no puede ser 
diseñado para soportar cualquier tipo de sobretensión por razones principalmente 
económicas. Las sobretensiones transportan grandes cantidades de energía, que de 
llegar a algún componente del sistema, puede generarle grandes daños e incluso su 
destrucción. Con la finalidad de limitar el potencial destructivo de las sobretensiones y 
garantizar la integridad y el desempeño óptimo de los equipos fueron creados los 
descargadores de sobretensión. 
 
Los descargadores de sobretensión se encargan de drenar parte de la energía 
de las sobretensiones a tierra, transformándolas en ondas que pueden ser soportadas 
por los aislantes de los equipos. 
 
Para certificar el funcionamiento de un descargador, este debe cumplir con las 
características eléctricas necesarias para desenvolverse en un sistema determinado, 
bajo ciertas condiciones de operación, SSDOM es un Software para la selección de 
descargadores de Oxido de Metal el cual fue creado con el propósito de brindar 
eficiencia, rapidez, interacción y una herramienta que se adapte a las exigencias 
tecnológicas del mundo, hoy en día. 
 
SSDOM brinda al usuario una serie de alternativas de manera simultánea, que 
sirven de solución a una situación problemáticas: que tipo de descargador colocar en 
una instalación. Mostrando sus características eléctricas de manera gráfica y numérica, 
facilitando de esta manera la comparación de los posibles resultados. 
 
 
 
 
 
 
 
Para tener un mejor entendimiento de este trabajo de investigación se procedió a 
dividir el mismo en cinco capítulos o partes principales. 
 
 
 
El Capitulo I está referido al planteamiento, justificación, objetivos y alcance de la 
misma. El Capitulo II, aborda los elementos conceptuales referentes a las 
sobretensiones, sus características, clasificación, los descargadores de sobretension, 
sus tipos, principio de funcionamiento y varias definiciones de interés. En el Capitulo III 
se describe la metodología del trabajo de investigación; se precisa el procedimiento de 
selección de los descargadores de sobretensión y se realiza una breve descripción de 
las fases del desarrollo del proyecto. El Capitulo IV cubre todo lo referente al 
funcionamiento del software y su manual de utilización. En el Capitulo V se presentan 
los resultados obtenidos por SSDOM durante su ejecución y se comparan con los datos 
obtenidos de manera convencional o manual, con la finalidad de verificar el correcto 
funcionamiento del sistema diseñado. Finalmente se establecen las conclusiones y 
algunas recomendaciones derivadas de la investigación y del funcionamiento del 
programa. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
1.1 Planteamiento Del Problema 
 
Es incuestionable la importancia que ejerce en el desarrollo económico de los 
países la industria eléctrica. Por esta razón es tan fundamental el papel que 
desempeñan los sistemas de potencias a nivel mundial. Un Sistema de Potencia es una 
red formada por un conjunto de componentes cuya función reside en: generar, transmitir 
y distribuir la energía eléctrica bajo ciertas exigencias y controles con respecto a la 
continuidad de servicio, regulación de tensión y control de frecuencia [1]. 
 
 Estos sistemas no están exentos a fallas, existen ciertos fenómenos que pueden 
producir un funcionamiento anormal en ellos, estos pueden dividirse en fallas y 
perturbaciones. Las fallas son condiciones que al presentarse, impiden continuar con la 
operación de uno o más componentes y requieren de la rápida acción de esquemas de 
protección para evitar la posibilidad de que ocurran daños en los equipos y sus 
materiales aislantes. Por otro lado también existen las perturbaciones, que soncondiciones que al presentarse no ocasionan salidas inmediatas del servicio del 
sistema, pero que pueden generar daños a algunos equipos si se prolongan mas allá de 
ciertos periodos de tiempo. Esencialmente las perturbaciones pueden ser dividas en: 
sobretensiones, sobrecargas y oscilaciones de frecuencia. [1]. 
 
Las sobretensiones son de naturaleza probabilísticas, lo que dificulta su control, 
su estudio y su predicción. Pueden producir descargas que además de destruir un 
equipo o averiar seriamente su material aislante, también pueden ser la causa de 
nuevas sobretensiones. La severidad que puede alcanzar cualquier sobretensión 
depende del tipo y sobre todo, del nivel de tensión de la red. En redes de tensión 
nominal inferior a 300 kV las sobretensiones debidas a descargas atmosféricas son de 
mayor potencial destructivo que las originadas por otras causas, mientras que por 
encima de 300 kV las sobretensiones de maniobra suelen ser las más peligrosas. La 
 
 
 
 
 
 
capacidad destructiva de las sobretensiones no se atribuye solamente a su magnitud, 
sino también a su forma de onda y esencialmente a la cantidad de energía que 
transportan. 
 
Con la selección de sistemas de protección adecuados se pueden reducir los 
daños provocados por las sobretensiones. Cuando los sistemas son afectados por 
sobretensiones, debe procurarse que descarguen a tierra lo más rápidamente posible, 
esta función la desempeñan los descargadores de sobretensiones. 
 
Los descargadores de sobretensión, son elementos destinados a proteger a los 
componentes del sistema que poseen aislamiento no autorestaurable, es decir un 
aislamiento que recuperara sus propiedades luego de que en este ocurra una descarga, 
en particular a los transformadores de potencia. Los transformadores son el corazón de 
las subestaciones, y por consiguiente son esenciales para los sistemas de potencia, 
tienen un costo sumamente elevado, obedecen a largos periodos de fabricación y 
presentan gran dificultad para su traslado, por lo general, se requiere de planes de 
transporte y movilización para llevar a cabo esta actividad, por estas razones es muy 
importante protegerlos de cualquier fenómeno que los pueda averiar. Las 
sobretensiones pueden dañar seriamente estas máquinas eléctricas, por tal motivo se 
deben colocar descargadores de sobretensiones que protejan al equipo con el menor 
rango de error posible, ya que la selección errónea de un descargador de sobretensión, 
pondría en juego la operación de tan importante equipo a lo largo de su vida útil. 
 
Los descargadores también protegen las líneas de transmisión, contra las 
sobretensiones transitorias elevadas drenándolas a tierra; limitando su prolongación y 
disminuyendo las magnitudes de las tensiones residuales. La selección de un 
descargador inadecuado para un determinado sistema puede volver vulnerable una 
instalación contra las sobretensiones, poniendo en riesgo la vida útil de los equipos y la 
 
 
 
 
 
 
continuidad del servicio eléctrico, lo cual es perjudicial tanto para la empresa de 
suministro de energía eléctrica como para sus clientes. 
 
 Para garantizar la protección de un sistema contra sobretensiones es de vital 
importancia tener un método que permita determinar, cuales son las características que 
debe cumplir un descargador de sobretensiones para ser instalado en este; mejor aún 
contar con un instrumento que permita realizar esta selección de manera rápida y 
segura. Una de las herramientas que puede ser utilizada para facilitar esta selección sin 
comprometer la confiabilidad y exactitud del proceso, es un Programa Computacional 
Interactivo o Software. 
 
Actualmente a nivel nacional, no existe un algoritmo computacional para la 
selección de descargadores de sobretensiones que permita determinar si el dispositivo 
es adecuado para una red o para la protección de un transformador. 
 
Motivados en lo anteriormente expuesto, existe la necesidad de desarrollar una 
herramienta que permita realizar esta función cumpliendo con todos los requisitos 
necesarios para lograr una selección confiable del dispositivo, y que además le permita 
al usuario comparar entre los modelos que propongan los distintos fabricantes, 
mediante la creación y gestión de una base de datos. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
1.2 Justificación 
 
Un software es una herramienta que facilita el desempeño de actividades que 
generalmente requieren de tiempo, precisión y que disminuyen las posibilidades de 
equivocaciones. Estos programas se desarrollan en base a procedimientos 
sistemáticos; siempre y cuando estos generen resultados altamente confiables y leales 
podemos apoyar la toma de decisiones en ellos. 
 
Con el uso del software se puede minimizar el error en la selección, comparando 
entre distintos modelos para así seleccionar el que mejor proteja al transformador, las 
líneas y el resto de los equipos, permitiéndole al usuario tomar la mejor decisión a la 
hora del diseño o la verificación de un sistema; garantizando un resultado y logrando 
disminuir la posibilidad de que el sistema se vea afectado negativamente por la 
presencia de una sobretensión. La capacidad de un Software de manejar gran cantidad 
de información de manera simultáneamente le brinda al usuario la oportunidad de 
analizar y comparar las posibles protecciones contra sobretensiones en subestaciones y 
líneas en un tiempo menor al que normalmente se considera. 
 
La selección de descargadores de sobretensión requiere de un conjunto de 
cálculos y de la discriminación de variables que en conjunto, nos facilitan los 
parámetros necesarios para realizar la selección en los catálogos de los fabricantes. 
Son un conjunto de pasos que pueden ser desplegados de una manera esquemática y 
al ser desarrollados como algoritmos, se podría obtener un programa que presente un 
resultado igual o muy similar a los posibles valores obtenidos de la manera tradicional, 
transformándose de esta manera en resultados efectivos y confiables. 
 
En la actualidad en el ámbito social, tecnológico y económico, las ideas no solo 
se enfocan en lograr un objetivo, sino de lograrlo con el menor costo posible y en un 
 
 
 
 
 
 
tiempo mínimo para obtener un mayor beneficio; es decir, que progresivamente se 
buscan nuevas alternativas con el apoyo del desarrollo científico tecnológico para 
obtener procesos más rápidos y precisos. Además se puede observar que este 
comportamiento no solo aplica en un nivel empresarial, esta tendencia también se 
observa en los aspectos más personales del comportamiento de los seres humanos; se 
puede decir entonces que la búsqueda por una mayor eficiencia es en general uno de 
los motores que impulsa al mundo actualmente. 
 
 Por estas razones se considera la importancia que tiene el uso de la tecnología, 
para sistematizar las actividades inherentes al área donde el ser humano desarrolla 
normalmente sus actividades, como es el caso del desarrollo de un Software para la 
selección del descargador de sobretensiones más propicio para un sistema. 
 
Este software así como su base de datos, serviría de apoyo para el desarrollo de 
actividades en cátedras comoSistemas de Distribución, Técnicas de Alta Tensión, 
Subestaciones Eléctricas, Líneas de Transmisión de Energía II, etc. Siendo estas 
también materias que se dictan en el departamento de Potencia de la Facultad de 
Ingeniería de La Universidad de Carabobo, este software se convertiría en un aporte 
para el desarrollo académico de esta institución y para el de otras instituciones 
relacionadas al medio educativo. 
 
1.3 Objetivos 
 
1.3.1 Objetivo General 
 
Desarrollar un programa interactivo (software) para la determinación de 
descargadores de sobretensión en Sistemas de Potencia, que compare diferentes 
opciones propuestas por distintos fabricantes. 
 
 
 
 
 
 
 
1.3.2 Objetivo Específicos 
 
• Identificar el método utilizado para la determinación de descargadores de 
sobretensión, para fijar criterios bases para el diseño del algoritmo de 
programación. 
 
• Elaborar un algoritmo basado en la metodología para la determinación del 
descargador de sobretensión y traducirlo al lenguaje de programación escogido. 
 
• Crear la base de datos del programa con los principales modelos de 
descargadores de los fabricantes más importantes, que permita al software 
realizar comparaciones. 
 
• Realizar la validación del software, mediante la comparación de resultados con 
los obtenidos de manera convencional. 
 
1.4 Alcance 
 
El Software será diseñado tomando en cuenta las siguientes características: 
 
El software será de tipo interactivo, desarrollado en Visual Basic. Lenguaje de 
programación de Microsoft orientado a eventos basado en el lenguaje BASIC, utilizado 
principalmente en el World Wide Web para realizar consultas a bases de datos de 
Microsoft como Fox Pro, SQL-Server, Access,etc., que funciona en servidores de 
Windows. 
 
 
 
 
 
 
 
La base de datos será desarrolla en Microsoft Access, herramienta visual 
compatible con Visual Basic, este programa es un gestor de bases de datos 
desarrollado por Microsoft. 
 
El programa permitirá seleccionar el tipo de descargador que se desea 
determinar, según su clase: Línea, Subestación, Distribución, etc. 
Los resultados serán presentados en tablas comparativas con los datos 
obtenidos de los distintos fabricantes 
El software también presentara en sus resultados las curvas de coordinación de 
aislamiento, los distintos márgenes de protección, las distancias máximas de ubicación 
de la protección, curvas de sobretensiones temporales y las energías del sistema y los 
descargadores como herramienta de comparación entre las alternativas brindadas por 
los fabricantes. 
El programa contemplara principalmente los niveles de tensión normalizados en 
nuestro país, aunque existirá la posibilidad de ingresar el valor de la tensión en caso de 
que esta no sea un valor nominal predeterminado, con el objetivo de que pueda ser 
utilizado en instalaciones de cualquiera de las empresas que prestan servicios a nivel 
nacional. Igualmente. Solo se tomaran en cuenta los descargadores de oxido de metal 
(oxido de zinc y/o híbridos) ya que estos son los dispositivos más utilizados por las 
empresas eléctricas a nivel nacional e internacional. 
 
1.5 Limitaciones 
 
 
 
 
 
 
 
 
• El Software estará limitado a la selección de Descargadores de Sobretensión 
para ser instalados en líneas de transmisión aéreas, Sistemas de Distribución y 
Subestaciones. 
 
• No es objetivo de estudio los sistemas que inciden directamente en la selección 
del descargador (sistema de puesta a tierra), así como tampoco lo es el estudio 
de la ubicación de los descargadores en líneas de transmisión. 
 
• La base de datos original estará formada por equipos de al menos tres de los 
más importantes fabricantes de descargadores de sobretensión. Permitiendo 
la inclusión de nuevas series y nuevos fabricantes. 
 
• No es objetivo de este estudio la demostración de ninguna de las ecuaciones 
que rigen tanto el comportamiento de los descargadores como el del sistema. 
 
• El criterio de selección de descargadores no considera características 
mecánicas ni económicas. 
 
2. MARCO TEÓRICO 
En este capítulo se abordan los principales conceptos relacionados a las 
sobretensiones, sus características, su clasificación, así como también definiciones 
acerca de los descargadores de sobretensión, sus características, tipos, principios de 
funcionamiento, pruebas y ensayos. 
 
2.1 ANTECEDENTES 
 
 
 
 
 
 
Sufia Juan A. y Torrealba Freddy; en su Trabajo de Grado, (1988) “Pararrayos de oxido 
de zinc (ZNO)”, presentado para optar al titulo de Ingeniero Electricista. Describen un enfoque 
adecuado sobre este nuevo pararrayos y persigue suministrar indicaciones en cuanto a su 
funcionamiento; se explican los criterios de selección de dicho dispositivo, pruebas a realizar, 
así como sus aplicaciones y usos en redes de alta y media tensión, con lo cual contribuye a 
despejar cualquiera de las dudas que se puedan tener en el uso de pararrayos de oxido de zinc. 
[15] 
 
Marcano Jaime y Alastre Humberto; en su Trabajo de Grado, (1993) “Desarrollo de un 
esquema para la selección de pararrayos de oxido de zinc” presentado para optar 
al titulo de Ingeniero Electricista. Presentan un esquema simplificado para la selección 
de pararrayos de oxido de zinc, tomando en cuenta todos los parámetros necesarios, 
como: envejecimiento, distribución de tensión, magnitud y duración de las 
sobretensiones tempérales TOV, contaminación, etc.….; esto con el propósito de que la 
selección final del pararrayos sea apropiada; además del esquema simplificado 
presentan un esquema mucho mas completo, tomando en cuenta el esquema de 
selección simplificado. Cuando el nivel de protección, que se proporciona en el 
esquema simplificado no es aceptable se recurre a realizar la selección con el esquema 
de selección mas completo. [16] 
 
2.2 SOBRETENSIONES 
Se denominan sobretensiones a las diferencias de potenciales transitorias o 
permanentes existentes entre fases o entre fase y tierra en una instalación, con un valor 
de cresta mayor a la tensión máxima del sistema, estas diferencias de potencial son 
capaces de poner en peligro el material aislante o el buen servicio de una instalación 
eléctrica. La relación entre la sobretensión Us, y la tensión de servicio U se llama factor 
de sobretensión que viene expresado por: 
 
 
 
 
 
 
 
 U
UsKs = (2.1) 
 
Con este factor se puede estimar la magnitud de las posibles sobretensiones que 
pueden presentarse en la instalación. Sin embargo, las sobretensiones son de 
naturaleza probabilísticas, lo que dificulta su control, su estudio y su predicción. Estas, 
pueden producir descargas que además de destruir un equipo o averiar seriamente su 
material aislante, también pueden ser la causa de nuevas sobretensiones. 
 
Los peligros de las sobretensiones no se deben solamente a su amplitud, sino 
también a su forma de onda, es decir que la capacidad destructiva de una sobretensión 
se debe esencialmente ala cantidad de energía que esta onda transporta. 
 
Las sobretensiones en las redes de suministro de energía eléctrica no pueden 
ser evitadas y son el resultado de los efectos de los impactos de los rayos de manera 
directa e indirectamente sobre las líneas y de las acciones de maniobras de los 
sistemas. Estas ponen en peligro el equipamiento eléctrico ya que por razones 
económicas el aislamiento no puede ser diseñado para soportar todos los posibles 
casos de sobretensiones que se puedan presentar en un sistema. La búsqueda de 
instalaciones mas económicas y seguras para los sistemas de potencias conllevaron al 
desarrollo y perfeccionamiento de sistemas de protección contra estas tensiones 
indeseables. [4] 
 
Las sobretensiones se producen tanto en instalaciones de baja como de media y 
de alta tensión, aunque generalmente, en las primeras tienen menos importancia que 
en las últimas. En las instalaciones de alta tensión por las propias condiciones de 
funcionamiento, de energía y de aislamiento, la propagación de sobretensiones puede 
tener mayores efectos destructivos sobre el equipamiento eléctrico. 
 
 
 
 
 
 
 
Existen elementos para mitigar el efecto de las sobretensiones. Podemos 
mencionar: 
 
Las protecciones contra sobretensiones en Sistemas de Potencia pueden ser 
encontradas en dos formas: 
 
• Evitando las sobretensiones producto de los rayos en su punto de origen, por 
ejemplo instalando cables a tierra en las inmediaciones de las subestaciones 
para interceptar los rayos (cables de guarda). 
 
• Limitando las sobretensiones en las cercanías de los equipos eléctricos, por 
ejemplo colocando descargadores de sobretensión en las proximidades de los 
equipos. 
 
En los sistemas de alta tensión ambos métodos de protección son usualmente 
utilizados pero en los sistemas de media tensión la presencia del cable de guarda no 
garantiza que las líneas no sean alcanzadas por una descarga, por su pequeña 
distancia entre los cables de la línea y el de tierra muchas veces el impacto del rayo 
también alcanza los cables de la línea, Además los efectos de sobretensiones inducidas 
por el impacto de rayos en las cercanías de una instalación no pueden ser minimizados 
por el cable de guarda. 
 
El método más comun para proteger sistemas de media tensión es el uso de 
descargadores de sobretensión en las proximidades de los equipos eléctricos. 
 
2.2.1 CLASIFICACIÓN DE LAS SOBRETENSIONES 
 
 
 
 
 
 
 
 Las tensiones anormales o sobretensiones pueden ser clasificadas 
esencialmente en tres tipos. [7] 
 
• Sobretensiones Temporales 
 
Son sobretensiones de frecuencia industrial y ocurren durante un rechazo de 
carga o por causa de una falla en una conexión a tierra, la duración de este tipo de 
sobretensiones se encuentra entre 0.1 segundo y muchas horas, En general la 
onda no excede el valor de √3 p.u por lo que no pone en peligro a la red, pero si 
debe ser tomado en cuenta para el dimensionamiento de los descargadores de 
sobretensión. 
 
• Sobretensiones de maniobra o (switching overvoltage) 
 
Como su nombre lo indica ocurren durante acciones de maniobra y 
consisten mayormente en oscilaciones con frecuencias mayores a varios Khz. y 
magnitudes hasta 3 p.u. Un caso especial son las maniobras en circuitos 
inductivos. Aquí el tiempo de frente de onda de la sobretensión se mantiene entre 
0.1µs y 10 µs y los valores picos pueden alcanzar hasta un valor de 4 p.u. 
comprometiendo el material aislante y la operatividad del sistema. Las 
sobretensiones de este tipo también surgen cuando las líneas se encuentran 
activas, para estos casos el valor pico se encuentra por debajo de 2.2 p.u. y no 
ponen en riesgo las instalaciones del sistema. 
 
• Sobretensiones externas o atmosféricas 
 
Son originadas por descargas atmosféricas. Ellas alcanzan su valor pico en 
pocos µs y luego decaen rápidamente, la magnitud de estas sobretensiones 
 
 
 
 
 
 
unipolares en redes de media y baja tensión puede alcanzar sin dificultad valores 
por encima de 10 p.u. 
 
Las sobretensiones atmosféricas son la mayor amenaza para las redes de 
media y baja tensión. Las protecciones contra sobretensiones deben ser 
dispuestas de manera tal que puedan delimitar las tensiones elevadas a valores 
que no produzcan daños al sistema. 
 
2.3 DESCARGADORES DE SOBRETENSIÓN. 
Se denominan, en general, descargadores de sobretensión a los dispositivos 
destinados a descargar a tierra las sobretensiones producidas por descargas 
atmosféricas, por maniobras o por otras causas, que se descargarían sobre los 
aisladores perforando el aislamiento, ocasionando interrupciones en el sistema eléctrico 
y en muchos casos, desperfectos en los generadores, transformadores, etc. [2] 
Los descargadores de sobretensión fueron utilizados exclusivamente en redes de 
Media Tensión hasta mediados de la década de los 80, estos consistían en una serie 
de conexiones de resistores de Carburo de Silicio SiC con un entrehierro de placas. 
Durante el aumento de la sobretensión surgía un cortocircuito a tierra cuando actuaba el 
entrehierro del descargador. Los resistores de SiC conectados en serie limitaban la 
corriente siguiente proveniente de la fuente de poder y de esta manera permitían la 
extinción del arco entre las placas del entrehierro en el momento en que la tensión 
volvía a realizar su paso por cero. [4] 
En los últimos años hubo dos mejoras fundamentales en los descargadores 
utilizados en los Sistemas de Potencia, por un lado la conexión en serie de resistores de 
SiC y el entrehierro de placas fueron reemplazados por resistores de Oxido de Metal 
(MO-resistors) sin el entrehierro. Por otro lado el encapsulado de los descargadores 
 
 
 
 
 
 
construidos en porcelanas o vidrio, fue reemplazado por un nuevo encapsulado 
fabricado con polímeros (materiales sintéticos). [4] 
En la figura 2.1.-b) se muestra un símil hidráulico del funcionamiento de los 
descargadores, donde el agua (A) representa a la tensión del sistema, el dique (B) 
representa el nivel de protección, y el conducto de evacuación (C) representa al 
descargador. Si se presenta una crecida de agua en un tiempo muy corto, el conducto 
de evacuación debe de drenar rápidamente la mayor parte del agua, para que esta no 
alcance el nivel máximo y se desborde la presa. El funcionamiento del descargador es 
muy similar, si ocurre una crecida de tensión, como la sobretensión U(t) que se muestra 
en la 2.1.-a), el descargador drenara la mayor parte de la sobretensión a tierra, evitando 
de esta manera que el transformador se vea expuesto a una tensión mayor de la que su 
aislamiento será capaz de soportar. 
 
Fig. 2.1.-a) Funcionamiento de un descargador. b) Símil hidráulico de un 
descargador. 
 
 
 
a) b) 
 
 
 
 
 
 
2.4 DEFINICIONES 
Para comprender el funcionamiento de los descargadores de Sobretension es 
necesario conocer algunas definiciones. 
Las definiciones que se presentan a continuación (a menos que se indique lo 
contrario) son citadasde las normas IEC 60099-4 y ANSI/IEEE C62.11. 
• (BIL/BSIL) Nivel Básico de Aislamiento 
 Nivel básico de aislamiento estadístico: valor de cresta de un impulso 
atmosférico (1,2/50 µs) o de maniobra (250/2500 µs), para el cual el 
aislamiento denota 90% de probabilidad de soportar la prueba o 10% de fallar 
durante esta. [2] 
 Nivel básico de aislamiento convencional: valor de cresta de un impulso 
típico o estándar que el aislamiento soporta sin ruptura y sin exhibir daños 
permanentes al ser expuesto a dicho impulso un número determinado de 
veces. [2] 
• Valor de cresta, Valor pico (de una onda o impulso) 
Máximo valor alcanzado por la onda. 
• Tensión máxima de la red (Um) 
Tensión máxima entre fases durante el servicio normal. 
• Corriente de descarga nominal (IEC) 
El valor máximo del impulso de corriente de descarga que se utiliza para 
clasificar el descargador. 
 
 
 
 
 
 
• Corriente de clasificación de descarga (ANSI/IEEE) 
La corriente de descarga nominal que se utiliza para efectuar las pruebas 
de clasificación de los descargadores. 
• Tensión Nominal (Ur) 
Un descargador para cumplir con la norma IEC debe resistir su tensión 
nominal (Ur) durante 10 segundos después de ser precalentado a 60°C y 
sometido a una inyección de energía según se define en la norma. Así Ur 
debe ser como mínimo igual a la capacidad de sobretension temporal de 10 
segundos de un descargador. La tensión nominal se utiliza como parámetro 
de referencia. 
• Tensión de funcionamiento nominal (ANSI) 
Es la tensión nominal máxima admisible entre terminales para el 
funcionamiento de un descargador. 
• Tensión de trabajo continuo (Uc/MCOV) 
Es la tensión de frecuencia industrial eficaz máxima admisible que se 
puede aplicar de forma continua entre los terminales del descargador. Esta 
tensión se define de distintas formas (se verifica con diferentes 
procedimientos de prueba) en IEC y ANSI 
• Uc (IEC) 
IEC permite al fabricante decidir la tensión Uc. El valor se verifica en la 
prueba normalizada. Debe explicarse cualquier distribución de tensión 
desigual en el descargador. 
 
 
 
 
 
 
• MCOV (ANSI) 
ANSI establece la tensión de trabajo continuo máxima (MCOV) para todas 
las características nominales de descargador utilizadas en una tabla. El valor 
es utilizado en todas las pruebas especificadas por ANSI. Los estandares de 
ANSI son menos estrictos en lo que se refiere a la distribución de tensión 
desigual en un descargador. 
• Sobretensiones temporales (TOV) 
Las sobretensiones temporales, a diferencia de las sobretensiones 
instantáneas, son sobretensiones de frecuencia industrial oscilantes de 
duración relativamente larga (entre algunos ciclos y varias horas).La forma 
más habitual de sobretensión temporal se produce en las fases sanas de una 
red, durante una pérdida a tierra en una o varias fases. Otras fuentes de 
sobretensión temporal son el rechazo de carga, a energización de líneas 
descargadas, etc. 
• Tensión residual / tensión de descarga 
Es el valor máximo de la tensión, que aparece entre los terminales de un 
descargador cuando pasa por él la corriente de descarga. La tensión residual 
depende de la magnitud y la forma de onda de la corriente de descarga. Las 
características de tensión y corriente de los descargadores se indican en los 
catálogos de cada fabricante. 
• Capacidad de energía 
La capacidad de energía de un descargador se refiere a la cantidad de 
energía que este podrá resistir, sin sufrir daños, cuando ocurra una 
Sobretensión. Las normas no definen de forma explícita la capacidad de 
 
 
 
 
 
 
energía de un descargador. La única medida especificada es la Clase de 
Descarga de Línea en IEC. Por regla general, esta información no es 
suficiente para comparar diferentes fabricantes, y por consiguiente, los 
fabricantes también facilitan la capacidad de energía en kJ/kV que puede 
soportar cada equipo. 
• Energía de prueba rutinaria 
Esta es la energía total a que es sometido cada uno de los bloques de 
oxido de metal en las pruebas de producción correspondientes a cada 
fabricante. 
• Energía de impulso único 
Ésta es la energía máxima admisible a la que puede ser sometido un 
descargador en un sólo impulso con una duración de 4 ms o más, 
manteniéndose posteriormente la estabilidad térmica con la sobretensión 
temporal y Uc especificadas. 
• Capacidad de cortocircuito 
Es la capacidad de un descargador, en caso de producirse una 
sobrecarga por cualquier motivo, de conducir la corriente de cortocircuito de 
servicio resultante sin sufrir una ruptura violenta que podría causar daños en 
los equipos circundantes o daños personales. Después de una operación de 
este tipo se debe cambiar el descargador. 
• Resistencia del aislamiento externo 
Es el valor máximo de la tensión aplicada (para una forma de onda 
especificada) que no genera un arco en el descargador. A diferencia de otros 
 
 
 
 
 
 
equipos, los descargadores están diseñados para descargar internamente y 
la tensión en el revestimiento no puede sobrepasar nunca los niveles de 
protección. Así, el aislamiento externo está autoprotegido si su resistencia es 
superior a los niveles de protección corregidos para la altitud de instalación. 
Las normas especifican los siguientes factores de seguridad adicional, 
excepto la corrección de altitud: 
o IEC: 15% para impulsos cortos y 10% para impulsos largos (al nivel 
del mar) 
o ANSI: 20% para impulsos cortos y 15% para impulsos largos (al nivel 
del mar) 
Nota: Los factores de corrección de altitud son 13% por 1.000 m (IEC) y 10% 
por 1.000 m (ANSI). 
• Características de contaminación 
IEC 60815 define cuatro niveles de contaminación (entre moderada y muy 
fuerte) y estipula la fuga requerida para revestimientos de porcelana indicada 
en la tabla adjunta. 
Nivel de 
contaminación 
Fuga específica en 
mm/KV (Um) 
Moderado (L) 16 
Medio (M) 20 
Alto (H) 25 
Muy alto (V) 31 
Tabla. 2.1.- Fuga requerida para revestimientos de porcelana según IEC 60815 
 
 
 
 
 
 
Los valores de la tabla también pueden ser considerados para 
revestimientos de Polímeros. 
La distancia de fuga es la longitud medida a lo largo del perfil externo del 
revestimiento y sirve de medida del comportamiento del descargador en 
entornos contaminados en lo que respecta al riesgo de arcos externos. 
Dado que el diámetro medio de los descargadores normalizados es 
inferior a 300 mm, la distancia de fuga específica es igual a la distancia de 
fuga nominal. 
• Nivel Ceráunico. 
El nivel ceráunico es un indicador indirecto que expresa la cantidad de 
días de tormenta al año de una determinada región y acostumbra a darse 
para un país según el Mapa de Niveles Isoceráunicos (Curvas de nivel de 
igual cantidad de días de tormenta al año). En la figura 2.6 muestra el mapa 
de niveles isoceráunicos de Venezuela tomado desde el año 1.998 hasta el 
2.002.Fig. 2.2.- Mapa de Niveles Isoceráunicos de Venezuela (1.998-2.002) Fuente: FAV. 
 
 
 
2.5 DESCARGADORES DE SOBRETENSIÓN DE OXIDO DE METAL 
La ventaja fundamental de los descargadores de Oxido de Metal es el hecho de 
que por las características no lineales de su resistor de Oxido de metal no necesitan de 
la presencia de entrehierros. La corriente comienza a fluir a través del descargador una 
vez que el valor de la sobretension alcanza el valor de Up. Por esta razón el 
 
 
 
 
 
 
descargador de Oxido de Metal reduce la sobretension más rápido que los 
descargadores de SiC. 
Si el aislamiento exterior del descargador se encuentra contaminado, la 
distribución del potencial a lo largo de su superficie es desigual. Se pueden presentar 
descargar parciales, las cuales pueden producir una modificación de la distribución de 
la tensión a lo largo del aislamiento exterior del descargador, que para el caso de 
descargadores con entrehierros es critico, al punto de producir la destrucción del equipo 
Esta es la razón por la cual los descargadores de sobretensión de Oxido de Metal sin 
entrehierros tienen una mejor resistencia a la contaminación. 
 
Fig. 2.3.- Descargadores de sobretension colocados en un transformador. 
2.6 CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DEL DESCARGADOR. 
 
 
 
 
 
 
 
Fig. 2.4.- Características de diseño, descargadores con revestimiento de 
porcelana (EXLIM ABB) 
En la figura 2.6 se muestran las características físicas de un descargador de 
oxido de metal. Cada fabricante posee sus líneas y modelos de descargadores que en 
esencia se encuentran constituidos de manera similar. Cada descargador está 
compuesto por una o varias unidades como las que se muestran en la figura 2.6. Cada 
unidad está formada por un revestimiento de porcelana o material sintético que contiene 
una columna sencilla de bloques de ZnO, estos bloques son sometidos a extensas 
 
 
 
 
 
 
pruebas rutinarias individuales durante la fabricación. Por consiguiente, es necesario 
conectar las unidades en serie, como se observa en la figura 2.7, en el orden 
predeterminado y marcado en las mismas. Siguiendo las indicaciones suministradas por 
cada fabricante. 
Los descargadores largos suelen requerir anillos equipotenciales para mantener 
una tensión uniforme y aceptable en toda su longitud. Por consiguiente, el 
funcionamiento de estos descargadores sin los anillos equipotenciales puede causar 
averías en el material aislante del descargador. 
 
Fig. 2.5.-Descargadores con anillos equipotenciales. 
 
• ELEMENTO RESISTOR DE OXIDO DE METAL 
Las característica Voltaje Corriente del resistor de Oxido de Metal es 
fuertemente no lineal. En la figura 2.3 se muestra la curva característica voltaje-
corriente (In=10KA). Up es el nivel de protección. Este es definido como el 
 
 
 
 
 
 
máximo voltaje de la resistencia durante el flujo de In. Uc es definido como el 
valor r.m.s del Voltaje Máximo de Operación Continua (MCOV) del resistor.[7] 
 
Fig. 2.6.-Curvas característica voltaje-corriente para resistores de MO y SiC para Uc= 4 
Kv. (Fuente ABB) 
La curva característica de la figura, corresponde a un resistor con Uc= 
4KV. En el caso de una carga de tensión DC con √2xUc=5.66 kV, circula una 
corriente DC en el rango de 0.1 mA. El componente capacitivo a 50 Hz y el valor 
de Uc oscila en las proximidades de 0.5 mA. El nivel de protección Up cuando 
In=10KA alcanza los 13 KV. 
De forma comparativa el diagrama muestra también la curva de un resistor de 
SiC, que posee igualmente un Up=13Kv. Debido a que este descargador exhibe 
un comportamiento mas lineal, la corriente continua del descargador en carga 
nominal alcanzara un valor cercano a los 200A. Por consideraciones térmicas un 
descargador con estas características no es factible ya que esta cantidad de 
 
 
 
 
 
 
energía no podría ser soportada por el descargador y le causaría su destrucción. 
Los descargadores convencionales de SiC, necesitan un entrehierro de placas 
en serie con sus resistencias para que este asuma el voltaje en operación 
continua. 
Las resistencias de Oxido de Metal, también denominados varistores de 
Oxido de Metal para el caso del fabricante Ohio Brass, el 90% del peso del 
resistor esta constituido por ZnO, el resto se encuentra compuesto por mas de 
ocho componentes, usualmente seleccionados entre los siguientes: Bi2O3, SbO3, 
Cr2O3, NiO, Mg0, CaO, Tio2, Co3O4 ,MnO, SiO2, SnO2, Ag2O, ZrO2, La2O3, Pr6O11, 
K2O, Al2O3, B2O3, BaO, n2O3, etc. Presentes en forma de polvo de 0.2 a 0.5 
micrómetros de diámetro. 
 
Fig. 2.7.- Cilindros de Oxido de Metal (Ohio Brass) 
 
• Dispositivo de sellado y alivio de presión 
La figura 2.6 muestra un descargador con recubrimiento de porcelana 
serie EXLIM de ABB, en este las bridas están cementadas en la porcelana y 
 
 
 
 
 
 
también envuelven el dispositivo de sellado. Para obtener un rendimiento 
satisfactorio, es importante que las unidades estén herméticamente selladas 
durante toda la vida útil de los descargadores. El dispositivo de sellado en cada 
extremo de cada unidad consta de una placa de acero inoxidable pretensado con 
una junta de goma. La placa ejerce una presión continua en la junta contra la 
superficie del aislador, asegurando el sellado efectivo aunque la junta se asiente 
debido al envejecimiento. También se usa para fijar la columna de los bloques en 
sentido longitudinal mediante resortes. El sellado de cada unidad se verifica 
después de la fabricación con pruebas rutinarias. 
La placa de sellado está diseñada para actuar también como sistema de 
alivio de sobrepresión. Si el descargador es sometido a esfuerzos que 
sobrepasan su capacidad nominal, se crea un arco interno. Los gases ionizados 
causan un aumento rápido de la presión interior, la cual a su vez produce la 
apertura de la placa d sellado, permitiendo la salida de los gases ionizados por 
conductos de escape. Dado que los conductos de ambos extremos están 
dirigidos el uno hacia el otro, ello produce un arco externo, aliviándose así la 
presión interna e impidiendo el resquebrajamiento violento del aislador. 
 
 
 
 
 
 
 
Fig. 2.8.- Características de diseño, descargadores con revestimiento de silicona 
(PEXLIM ABB) 
• Material aislante 
Los descargadores con recubrimiento sintético utilizan los mismos bloques 
de ZnO que los descargadores de porcelana y tienen un rendimiento eléctrico 
equivalente. La silicona como material aislante se utiliza desde hace más de 30 
años con buenos resultados, y se ha incorporado también en los descargadores. 
Proporciona ventajas añadidas como un peso bajo, mejores características de 
contaminación, mayor seguridaddel personal y flexibilidad de instalación. 
Si el descargador es sometido a esfuerzos eléctricos que sobrepasan su 
capacidad nominal, se crea un arco interno. Debido al diseño de caja abierta, se 
 
 
 
 
 
 
quema fácilmente a través del material de silicona blando permitiendo que los 
gases resultantes sean evacuados rápida y directamente. Al mismo tiempo, las 
fibras de aramida impiden la expulsión explosiva de los componentes internos. 
Por consiguiente, no se requieren válvulas de alivio de presión para este diseño. 
La capacidad de cortocircuito de autoprotección es verificada en las pruebas de 
cortocircuito según la IEC. 
• Corriente Nominal de Descarga y Capacidad de absorción de Energía 
La corriente nominal de descarga es el valor máximo del impulso de 
corriente de descarga que se utiliza para clasificar el descargador. 
Los descargadores con corriente nominal de 5 KA. han demostrado 
confiabilidad en sistemas de media tensión. La capacidad de absorción de 
energía es mucho mayor que el nivel de energía que se espera en la red, con 
excepción de las elevadas corrientes causadas por los rayos, estas corrientes 
también pueden ser manejadas por los descargadores, sin embargo esto es poco 
frecuente que suceda. 
En Líneas aéreas incluso bastante alejadas del lugar de impacto del rayo, 
un rayo puede causar corrientes relativamente altas que fluirán por el 
descargador. Por esta razón los fabricantes, de acuerdo con lo establecido en las 
normas IEC 60099-4 y ANSI/IEEE C62.11, crean gamas de descargadores con 
Distintas capacidades de manipulación de energía, con corrientes nominales de 
10 KA, 20 KA, 40 KA. 
El empleo de estos equipos con mayores corrientes de descarga, se 
recomienda en todos los lugares en donde en términos de la energía, la 
seguridad operativa y del nivel de protección, los requerimientos del sistema son 
bastante altos. Como por Ejemplo: 
 
 
 
 
 
 
• Regiones con mucha actividad de Rayos. 
• Líneas aéreas con postes de concreto o madera y crucetas no aterradas 
• Descargadores colocados en lugares de poca accesibilidad para equipos 
de mantenimiento 
• En líneas que exigen altos requerimientos con respecto a las seguridad 
operacional 
• Protección de Motores, generadores y cables 
• Áreas con niveles de contaminación industrial altos, o donde el 
descargador se encuentre a menos de 1000 m del mar. 
Existen casos donde los equipos requieren de niveles de protección más 
altos como por ejemplo 
• Hornos de Inducción 
• Grandes baterías de Capacitores 
• Secciones muy largas de Cables 
• Maquinas rotativas Costosas 
• Transformadores y Autotransformadores de Subestaciones Principales 
En estos casos se requieren capacidades de absorción de energía mayores 
como por ejemplo los descargadores tipo POLIM-H con In = 20 KA y 
13.3KJ/KVUC. 
2.7 CLASIFICACIÓN DE LOS DESCARGADORES 
Existen varios tipos de descargadores clasificados según su ubicación y sus 
capacidades de energía: 
• Descargadores de Distribución: Poseen las mayores tensiones de descarga y 
usualmente se diferencian entre Normal Duty y Heavy Duty, son los más 
 
 
 
 
 
 
económicos y los que poseen la mayor demanda comercial. Como su nombre 
lo indica son diseñados para proteger Sistemas de Distribución. 
• Descargadores Clase Intermedia: los equipos de esta clase presentan 
características de protección mejoradas, pueden manejar mayores cantidades 
de energía sin afectar su durabilidad. Son sustancialmente más costosos que 
los de distribución. 
• Descargadores Clase Subestación: Proveen de los mayores índices de 
protección, poseen la mayor de las capacidades de absorción de energía y la 
mayor durabilidad, cumplen uno de los trabajos más importantes en un 
sistema, el de proteger los Transformadores, Autotransformadores de Potencia 
y equipos pertenecientes a una Subestación. Son los más robustos y costosos 
de los descargadores. 
• Descargadores Clase Línea: Poseen características eléctricas muy similares a 
los de la clase subestación, pero con diferencias en sus robustez y materiales 
de construcción, son creados con la finalidad de obtener grandes niveles de 
protección, con pesos menores para facilitar su instalación. Protegen las líneas 
de transmisión de sobretensiones y principalmente de los Flashovers o arcos 
inversos. 
• Descargadores Especiales: descargadores como los Riser pole, Sumergidos en 
aceite, y otros descargadores diseñados y fabricados para funciones muy 
especificas. Pueden tener características combinadas de cualquiera de los 
tipos de descargadores, se crean partiendo de las necesidades de aplicación, 
no son de fácil adquisición, sus costos son elevados y varían según sus 
características eléctricas y mecánicas. 
2.8 CONDICIONES ESPECIALES DE OPERACIÓN 
• Energía de cortocircuito de la red. 
 
 
 
 
 
 
Un descargador de sobretensiones puede verse afectado por la energía 
de cortocircuito de la red en la que esta instalado. Bajo esta condición el 
descargador inevitablemente se destruye. Esta condición puede ser originada 
por: elevadas corrientes de descarga, por la presencia de descargas múltiples, y 
por el fenómeno de descarga retroactiva (Backflashover), este último produce 
perforaciones en el resistor. 
En los descargadores encapsulados en porcelana al surgir el arco 
eléctrico, este causa un aumento rápido de la presión del gas contenido en el 
encapsulado. Si el nivel de cortocircuito de la red no es muy alto, la válvula de 
alivio de presión en el descargador se abre antes de que la presión alcance el 
punto de explosión del encapsulado. Por otro lado si la corriente es 
extremadamente alta, la posibilidad de que el descargador explote no puede ser 
descartada. 
Con los descargadores encapsulados en polímeros o siliconas no existe el 
peligro de explosión en caso de una sobrecarga. No hay presencia de aire entre 
las partes activas del descargador y su aislante de polímero por lo que no existe 
espacio para que la presión dentro del descargador aumente en caso de la 
sobrecarga. En estos casos, aparecen perforaciones en el encapsulado que 
inmediatamente conllevan a la iniciación de una descarga en el exterior del 
dispositivo. 
 
• Temperaturas ambientales Elevadas 
Los valores de Uc garantizados por los distintos fabricantes tienen validez 
para temperaturas no mayores a 45 ºC. En el caso de Descargadores al aire 
libre, la radiación solar (1.1KW/m2) es tomada en cuenta. Si existen otras fuentes 
 
 
 
 
 
 
de calor en las proximidades del descargador el incremento en los niveles de 
radiación de calor debe ser tomado en cuenta y los valores de Uc deben ser 
incrementados necesariamente. Si la temperatura ambiental excede los 45 ºC, 
Uc debe ser incrementado en un 2% por cada 5º de temperatura por encima de 
los 45ºC. 
• Contaminación del aire 
Los polímeros siliconados son uno de los mejores materiales aislantes en 
ambientes contaminados. Principalmente debido a que es un material que repele 
el agua. Los descargadores encapsulados enpolímeros se comportan de 
manera mas favorable bajo altos niveles de contaminación que los 
descargadores con encapsulados en porcelana y otros materiales. La capacidad 
hidrofobica de la silicona le brinda una ventaja sobre los otros materiales, las 
partículas contaminantes y el sucio no pueden adherirse con facilidad al 
recubrimiento flexible y son lavados por las lluvias. 
 
Fig. 2.9.- Efecto hidrofóbico de los polímeros siliconados 
 
 
 
 
 
 
 
• Ajustes por altitud en el encapsulado de los descargadores 
Los descargadores son diseñados para trabajar en elevaciones no 
mayores a 1800 metros sobre el nivel del mar. En altitudes mayores, la densidad 
del aire disminuye y la distancia de fuga del encapsulado del descargador puede 
no ser suficiente para soportar las descargas externos. Para estos casos, la parte 
activa permanece inalterada y debe ser colocada en un encapsulado con mayor 
distancia de fuga. 
Como un valor de orientación se puede considerar que por cada 1000 m 
por encima de los 1800 metros sobre el nivel del mar, la distancia de fuga debe 
incrementarse en un 12% o 13%. Por ejemplo: par aun altitud de 3300 m, la 
distancia del aislamiento debe ser incrementada en un 18% con respecto a la 
distancia del descargador para condiciones normales. [7] 
2.9 CONDICIONES DE SERVICIO DE LOS DESCARGADORES DE 
SOBRETENSIÓN 
El estándar IEEE para los descargadores de Oxido de Metal en Circuitos de 
energía alterna (IEEE Standard for Metal-Oxide Surge Arresters for AC Power Circuits) 
define las siguientes condiciones de operación para los descargadores de Oxido de 
metal. [5] 
2.9.1 CONDICIONES DE SERVICIO USUALES 
Para que un descargador conformado bajo este estándar sea capaz de operar 
adecuadamente, debe estar bajo las siguientes condiciones: 
• Condiciones Físicas 
I. La temperatura continua del aire en los alrededores del descargador debe 
encontrarse entre - 40 ºC y 40 ºC. 
 
 
 
 
 
 
II. La temperatura máxima temporales del aire debido a fuentes externas de 
calor cercanas al descargador no deben exceder 60 ºC 
III. La altitud no debe exceder los 1800m (6000ft) sobre el nivel del mar. 
• Condiciones del Sistema 
I. La frecuencia nominal del sistema debe encontrarse entre 48 HZ y 62 Hz 
II. El voltaje línea tierra debe estar por debajo del valor nominal del 
descargador para todas las condiciones de operación del sistema. 
2.9.2 CONDICIONES DE SERVICIO INUSUALES 
• Condiciones Físicas 
I. Temperatura continúa del aire en los alrededores del descargador fuera del 
rango - 40 ºC y 40 ºC. 
II. Temperatura máxima temporales del aire debido a fuentes externas de calor 
cercanas al descargador por encima de 60 ºC. 
III. Alturas por encima de los 1800 m (6000ft) sobre el nivel del mar. 
IV. Descargadores expuestos a: 
• Vapores o humos dañinos 
• Sucio excesivo, sales u otros elementos conductores que se puedan 
depositar en el material aislante, steam, atmósferas explosivas, 
vibraciones anormales o impactos. 
V. Limitaciones respecto a la separación con objetos conductores, sobre todo 
a alturas mayores a los 1800 m. 
VI. Transporte y almacenamiento indebido 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
• Condiciones del Sistema 
I. Frecuencias nominales fuera del rango 48 Hz – 60 HZ. 
II. Condiciones de operatividad del sistema donde los valores nominales del 
descargador pueden ser temporalmente sobrepasados. Como por ejemplo: 
• Perdida del aterramiento del neutro en circuitos normalmente aterrados 
• Aumentos de velocidades en los generadores 
• Inestabilidades del sistema 
• Fallas monofásicas a tierra persistentes en sistemas trifásicos no 
aterrados. 
2.10 SELECCIÓN DE DESCARGADORES DE SOBRETENSIÓNES 
2.10.1 PARÁMETROS DEL SISTEMA 
Para la selección de un descargador, es necesario revisar su condición y 
comportamiento bajo sobretensiones temporales que puedan ocurrir en el sistema, 
generalmente se considera como la tensión máxima en las fases sanas del sistema 
cuando ocurre una falla en una fase distinta, tomando en cuenta el tipo de sistema y su 
tipo de aterramiento. Estas condiciones del sistema son determinadas por cada 
empresa de suministro eléctrico dependiendo de la topología de su red. Esta tensión 
corresponde al voltaje máximo que puede soportar el descargador por un periodo de 
tiempo determinado bajo las condiciones definidas. En los estándares de 
descargadores, los valores de tensión nominal del descargador son determinados 
mediante las pruebas de ciclo de operación. Estas pruebas definen el valor máximo de 
tensión en el cual puede encontrarse sometido el descargador manteniendo su 
corriente de descarga nominal. 
 
 
 
 
 
 
Para los descargadores de Oxido de metal, el factor mas determinante y limitante 
es el incremento de la temperatura. Por no presentar entrehierros, los descargadores de 
Oxido de Metal pueden ser energizados por encima de sus condiciones nominales, y 
estos pueden descargar las corrientes eficientemente. Estas capacidades son definidas 
por las curvas de Sobretensión Temporal o TOV (temporary overvoltage). Esta curva 
define el tiempo máximo durante el cual un descargador puede funcionar 
apropiadamente bajo una condición de sobretensión. 
Un factor que afecta la capacidad de TOV del descargador es la energía 
absorbida (las condiciones de temperaturas iniciales de los bloques) previa a la 
aplicación del TOV y a la tensión subsiguiente. 
 
Fig. 2.10 CURVAS DE TOV, a) Sin previa actividad, b) con actividad previa (Fuente 
ABB) 
El TOV más conocido comúnmente es el de falla monofásica a tierra. Su amplitud 
esta dada por el producto de √3Um por el factor de falla a tierra ke que se encuentra 
determinado por las condiciones de aterramiento del sistema. La figura 2.11 presenta el 
 
 
 
 
 
 
valor de ke dependiendo de la reactancia de secuencia y la resistencia del sistema para 
las resistencias de falla más desfavorable. Puede ser que el factor ke sea desconocido, 
para estos casos puede ser estimado como 1.4 para sistemas efectivamente aterrados 
y 1.73 para sistemas no aterrados efectivamente. 
K
= 
1.
7
K= 
1.6
K= 1.5
K= 1.4K= 1.3K= 1.2
R
o
/X
1
Fig. 
2.11.- la curva muestra la relación R0/X1 y X0/X1 para valores constantes de factor 
de falla a tierra k (Fuente IEC) 
2.10.2. CAPACIDAD DE ABSORCIÓN DE ENERGÍA 
Este paso esta enfocado principalmente en las condiciones de estrés a las cuales 
es sometido el descargador por causa de acciones de maniobras en cargas atrapadas 
en líneas con descargadores de sobretensión colocados en los finales de línea como el 
caso mostrado en la figura 2.12. Este caso es considerado como determinante. 
 
 
 
 
 
 
1 p.u.
Z1
Descargador.
Linea de Transmision
Impedancia Z
Tiempo de viaje T
 
Fig. 2.12.- Modelo Unifilar 
Si el tiempo de viaje de la descarga en la línea es corto comparado con un ciclo de 
frecuencia-potenciay Z1 representa una impedancia baja, la corriente a través del 
descargador va a tener una forma rectangular con una duración igual a dos veces el 
tiempo de viaje T de la onda en la línea. En casos reales la corriente en el descargador 
no tiene una forma de onda rectangular pura. La impedancia de la fuente, Z1, va a 
afectar la onda de tensión impuesta en la línea por la acción de energización del 
interruptor. La onda de voltaje se distorsionará durante su viaje en la línea, la onda de 
retorno va a causar reflexiones en el Terminal de envío y en sistemas de múltiples fases 
existirá una interacción entre las fases. Sin embargo, este modelo unifilar es útil para 
muchos casos. Para evitar análisis y estudios computarizados este método simplificado 
puede ser aplicado en primeras instancias para estimar el estrés al cual será sometido 
el descargador durante una acción de maniobra, si este calculo revela niveles de 
energía muy elevados y requiere de de estudios mas calificados que los considerados 
inicialmente, entonces serian justificables estudios más precisos. 
2.10.3 PARÁMETROS DE MANIOBRA O SWITCHING PARAMETERS. 
 
 
 
 
 
 
La sobretensión esperada UL depende de parámetros tales como: localización del 
descargador, tipo de operación de maniobra, presencia o ausencia de resistores 
preinsertados, la red de alimentación y de la compensación en paralelo. Valores por 
encima de los propuestos en la tabla 2.1 pueden presentarse en algunos casos, estos 
casos deben analizarse antes de realizar su estimación de UL. 
El tiempo de propagación de onda (T) depende de la longitud de la línea y de la 
velocidad de propagación de onda. Para líneas aéreas la velocidad de una onda de 
sobretensión es muy aproximada a la velocidad de la luz (0.3 Km/µs). Para cables, la 
velocidad es mucho menor (cercana a los 0.15 Km/µs). 
 
 
Voltaje del sistema 
Um (KV) 
Impedancia de la 
fuente Z(ohm) 
Sobretensión esperada sin 
descargador UL ( por unidad) 
< 145 450 3 
De 145 a 345 400 3 
De 362 a 525 350 2.6 
765 300 2.2 
 
Tabla. 2.2.-Valores típicos de sobretensiones de maniobra 
2.10.4 CLASIFICACIÓN SEGÚN LA CAPACIDAD DE ENERGÍA DEL 
DESCARGADOR 
En los estándares existentes de descargadores de sobretensión, la capacidad de 
absorción de energía para sobretensiones de maniobra debe ser verificada en la 
Prueba de Descarga de Línea. Para esta prueba la IEC define 5 clases, que 
corresponden a 5 tipos distintos de descargas de línea, y cada descargador se asigna a 
 
 
 
 
 
 
una de estas clases, dependiendo del tipo de descarga de línea que este sea capaz de 
soportar 
La energía absorbida por un descargador en una prueba de descarga de línea, 
es función de la clase de descarga de línea y el nivel de protección para impulsos de 
maniobra del descargador. Como se muestra en la figura 2.13. 
 
Fig. 2.13.- IEC Clases de descarga a línea. 
Las pruebas de descarga de línea consta de descargas repetitivas, en esta se 
debe comprobar estabilidad térmica de los descargadores para dos descargas 
consecutivas con una separación de 50 a 60 segundos entre si. En la mayoría de los 
casos las condiciones de diseño tienen muy poca probabilidad de que ocurran, por lo 
tanto es suficiente diseñar para una operación y no para dos operaciones consecutivas. 
2.10.5 COORDINACIÓN DE AISLAMIENTO. 
 
 
 
 
 
 
Una vez que se ha preseleccionado un descargador, se debe determinar el nivel 
de protección que este brinda al aislamiento del equipo a proteger. Esta protección 
depende de las características del descargador, de las sobretensiones de maniobra, de 
las descargas atmosféricas esperadas y de las características del aislamiento del 
equipo. El nivel de protección es cuantificado por medio de los márgenes de protección. 
El objetivo es el de obtener o exceder los valores mínimos de protección para los 
distintos tipos de sobretensiones en el sistema, según lo que se recomienda en los 
estándares de aplicación. 
2.10.6 CARACTERÍSTICAS DE PROTECCIÓN DEL DESCARGADOR. 
Las características de protección de los descargadores están definidas 
básicamente por lo voltajes residuales y generalmente estos son proporcionales al 
valor de Uc. Los voltajes residuales son los valores de tensión a los que quedara 
expuesto el equipo a proteger una vez que el descargador ha actuado, este valor no 
solo depende de las características del descargador y de la sobretensión, si no que 
también se ve afectado por la resistencia de las conexiones del descargador a la línea y 
a tierra, y los efectos inductivos de estas conexiones, como se puede observar en la Fig 
(x). La ecuación (x) nos muestra como calcular los voltajes residuales. 
dt
diLRIUU resres ++= 1 (2.2) 
Donde: 
 Ures: Tensión residual del sistema 
 Ures1: tensión residual del descargador 
 R: resistencia de puesta a tierra 
I: Corriente de descarga a tierra 
L: Inductancia del cable y de las conexiones (1µH/m) 
di/dt: Tiempo de formación de cresta 
 
 
 
 
 
 
 
 Fig. 2.14.- Representación de los voltajes residuales. 
 
Es importante destacar que algunos fabricantes, no toman en cuenta el efecto de 
las conexiones y asumen Ures = Ures1, esto lo hacen con la finalidad de simplificar la 
selección. 
Las características de protección son una función continua que dependen del 
rango de la descarga de corriente y de los valores residuales de voltaje que estas 
generan. El nivel de aislamiento que soportan los equipos por otra parte esta definido 
por tres puntos de voltaje, obtenidos por medio de las pruebas estandarizadas de 
sobretensiones de maniobra, sobretensiones de onda completa (impulsos 
atmosféricos), y sobretensiones de frente de onda. 
Para la coordinación con el aislamiento del equipo se seleccionan tres niveles de 
protección, estos niveles se describen a continuación: 
2.10.7 NIVEL DE PROTECCIÓN PARA SOBRETENSIONES DE 
MANIOBRA 
 
 
 
 
 
 
Este es el voltaje residual de cresta que resulta al aplicar un impulso de corriente 
36/90µs al descargador. Para definir el nivel de protección por maniobras se 
selecciona una corriente de coordinación de sobretensiones de maniobra, para 
distintos niveles de tensión. Esta corriente será: 500A para sistemas con una tensión 
fase-fase máxima de 150kV, 1000A para sistemas con una tensión fase-fase 
comprendida entre 150kV y 325kV, 2000A para sistemas con una tensión fase-fase 
superior a los 325kV. 
2.10.8 NIVEL DE PROTECCIÓN PARA IMPULSOS 
Este es el voltaje residual de cresta que resulta al aplicar un impulso de corriente 
8/20µs al descargador. Los fabricantes proporcionan en sus catálogos los valores de 
voltajes de cresta residuales para una variedad de corrientes de cresta. Para realizar 
la coordinación de aislamiento se debe elegir una corriente de coordinación, 
basándose en el nivel de voltaje del sistema. Para sistemas con Um menor o igual a 
420kV se propone una corriente de 10kA, para sistemas con 420kV < Um > 800kV se 
propone una corriente de 15kA,y para sistemas con Um 800kV se propone una 
corriente de 20kA. 
2.10.9 NIVEL DE PROTECCIÓN PARA FRENTES DE ONDA 
 Este es el voltaje residual de cresta que resulta al aplicar un impulso de corriente 
con un tiempo de cresta menor a 8/20µs al descargador. Este nivel de protección se 
obtiene aplicando una serie de ondas de corriente con distintos tiempos de cresta (1, 
2, 8 ms) y extendiendo el tiempo de los valores de voltaje medidos a 0.5 µs tal como 
se estipula en las normas ANSI/IEEE C62.11 
2.11 MÁRGENES DE PROTECCIÓN: 
Los márgenes de protección se calculan utilizando la siguiente fórmula: 
 
 
 
 
 
 
1001% ×





−=
protecciondeNivel
oaislamientdeNivel
M (2.3) 
Con esta fórmula se calculan los márgenes para los tres niveles de protección. 
En la figura 2.15 se muestra un ejemplo de coordinación de aislamiento para un sistema 
34.5kV utilizando un descargador tipo PDV-100 de la marca OHIO BRASS. 
 
Fig. 2.15.- Esquema de Coordinación de aislamiento, para un sistema de 34.5kV, con un 
descargador PDV-100 
En este esquema se pueden observar los márgenes de protección y los voltajes 
residuales para distintas corrientes de descarga, básicamente es un resumen grafico, 
que contiene los resultados de algunos los cálculos que se realizan para determinar si 
el descargador es el adecuado para el sistema. 
 
 
 
 
 
 
 
3. MARCO METODOLOGICO. 
En el presente capítulo se describe la metodología y se detallan los pasos a 
seguir para el desarrollo del trabajo de investigación. Se define el procedimiento de 
selección de los descargadores y se describen las herramientas que se utilizaran para 
el desarrollo del software. 
 
3.1 FASES METODOLÓGICAS. 
A continuación se describen los pasos que se desarrollaran para lograr los 
objetivos planteados en la investigación: 
 
3.1.1. Fase I: DESCRIPCIÓN DE LAS CARACTERÍSTICAS MÁS RESALTANTES 
DE LAS SOBRETENSIONES Y DE LOS DESCARGADORES. 
 
Se explicará que son las sobretensiones, como se originan comúnmente, que 
daños pueden ocasionar, como se clasifican y cuales son sus características 
principales. 
Se describirá de forma breve los detalles constructivos, partes principales, valores 
nominales y principios básicos de funcionamiento de los descargadores de 
sobretensiones, mediante consultas bibliográficas y revisiones en Internet. 
 
3.1.2. Fase II: DESCRIPCIÓN DEL PROCEDIMIENTO DE SELECCIÓN PARA 
DETERMINAR EL DESCARGADOR. 
 
 
 
 
 
 
 
Se revisaran los procedimientos de selección que proponen distintos 
fabricantes, y el procedimiento desarrollado estará basado en las normas 
propuestas por la asociaciones internacionales International Electrotechnical 
Comisión (IEC) y The Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE). 
Definiendo de esta manera un procedimiento de selección confiable y apegado a las 
normativas internacionales. 
 
3.1.3. Fase III: DESARROLLO DEL SOFTWARE. 
 
Para el desarrollo del software se utilizarán dos herramientas 
computacionales de alto nivel como lo son Microsoft Visual Basic y Microsoft 
Access. 
 
Dado que el software requiere de una interfaz amigable para el usuario y no 
requiere de cálculos complejos, se seleccionó Microsoft Visual Basic como 
herramienta para manejar todo lo referente a la interfaz del programa, los cálculos 
matemáticos y su estructura. Además, la necesidad de trabajar con una base de 
datos extensa y que posibilite su actualización por el usuario cuando este lo 
desee, conllevo a la selección de Microsoft Access, por ser una de las herramientas 
con mayor potencial para el manejo de bases de datos. 
 
A continuación se presenta una breve descripción de estas herramientas: 
 
• MICROSOFT VISUAL BASIC 6.0: 
 
Visual Basic es un lenguaje de programación desarrollado por Alan Cooper 
para Microsoft. El lenguaje de programación es un dialecto de BASIC, con 
importantes incorporaciones. Su primera versión fue presentada en 1991 con la 
 
 
 
 
 
 
intención de simplificar la programación utilizando un ambiente de desarrollo 
completamente gráfico que facilitara la creación de interfaces gráficas y en cierta 
medida también la programación misma. 
Es un lenguaje de fácil comprensión, tanto para programadores principiantes 
como expertos, guiado por eventos, y centrado en un motor de formularios 
poderoso que facilita el rápido desarrollo de aplicaciones gráficas. Su principal 
innovación, que luego fue adoptada por otros lenguajes, fue el uso de un tipo de 
dll, llamado inicialmente vbx y posteriormente ocx, que permiten contener toda la 
funcionalidad de un control y facilitar su rápida incorporación a los formularios. 
Su sintaxis, derivada del antiguo BASIC, ha sido ampliada con el tiempo al 
agregarse las características típicas de los lenguajes estructurados modernos. Se 
ha agregado una implementación limitada de la Programación Orientada a Objetos 
(los propios formularios y controles son objetos). No requiere de manejo de 
punteros y posee un manejo muy sencillo de cadenas de caracteres. Posee varias 
bibliotecas para manejo de bases de datos, pudiendo conectar con cualquier base 
de datos a través de ODBC (Informix, DBase, Access, MySQL, SQL Server, 
PostgreSQL ,etc) a través de ADO. 
El compilador de Microsoft genera ejecutables que requieren una DLL para 
que sus ejecutables funcionen, en algunos casos llamada MSVBVMxy.DLL 
(acrónimo de "MicroSoft Visual Basic Virtual Machine x.y", siendo x.y la versión) y 
en otros VBRUNXXX.DLL ("Visual Basic Runtime X.XX"), que provee todas las 
funciones implementadas en el lenguaje. Además existen un gran número de 
bibliotecas (DLL) que facilitan el acceso a muchas funciones del sistema operativo 
y la integración con otras aplicaciones. [13] 
 
 
 
 
 
 
 
 
• MICROSOFT ACCESS: 
Microsoft Access es un sistema de gestión de bases de datos creado y 
modificado por Microsoft (DBMS) para uso personal o de pequeñas 
organizaciones. Es un componente de la suite Microsoft Office aunque no se 
incluye en el paquete básico. Su principal función es ser una potente base de 
datos, capaz de trabajar en sí misma o bien con conexión hacia otros lenguajes de 
programación, tales como Visual Basic 6.0 o Visual Basic .NET. Pueden realizarse 
consultas directas a las tablas contenidas mediante instrucciones SQL. 
Internamente trae consigo el lenguaje Visual Basic for Application (VBA) el cual es 
similar en forma a VB6. 
Permite el ingreso de datos de tipos: Numéricos, Texto, Fecha, Sí/No, OLE, 
Moneda, Memo y Boolean. Pueden desarrollarse aplicaciones completas basadas 
en Microsoft Access, pues trae consigo las herramientas necesarias para el diseño 
y desarrollo de formularios para el ingreso y trabajo con datos e informes para 
visualizar e imprimir la información requerida. 
Su funcionamiento se basa en un motor llamado Microsoft Jet, y permite el 
desarrollo de pequeñas aplicaciones autónomas formadas por formularios 
Windows y código VBA (Visual Basic para Aplicaciones). Una posibilidad adicional